(57)【要約】【課題】  プルイン時に発生する振動を低減して、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮できる微小薄膜可動素子および微小薄膜可動素子アレイ並びに微小薄膜可動素子アレイの駆動方法を提供し、微小薄膜可動素子動作の高速化を図る。【解決手段】  弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極２８を有する可動部と、可動部に対峙して配置された固定電極とを有し、可動電極２８と固定電極３５ａ、３５ｂに印加する電圧に応じた静電気力によって可動部２７を変位させる微小薄膜可動素子１００であって、可動電極２８と固定電極３５ａ、３５ｂに印加する電圧を、静的プルイン電圧と等しくまたはそれより小さく、かつ最小動的プルイン電圧と等しくまたはそれより大きい範囲に設定した。【選択図】図１
2007033787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と、該可動部に対峙して配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極に印加する電圧に応じた静電気力によって前記可動部を変位させる微小薄膜可動素子であって、
前記可動部を変位させる際に印加する電圧が、前記可動部の変位量に応じて発生する抵抗力に抗して前記可動部を前記固定電極側に接触させる静的プルイン電圧以下であり、かつ、前記可動部の動作に応じて発生する慣性力と併せて前記可動部を前記固定電極側に接触させる最小動的プルイン電圧以上の範囲にあることを特徴とする微小薄膜可動素子。
【請求項２】
前記固定電極が基板に設けられ、前記可動電極が該基板に間隙を有して支持された薄膜状の前記可動部に設けられ、該可動部が前記基板に対して略平行に接近及び離反動作されることを特徴とする請求項１記載の微小薄膜可動素子。
【請求項３】
前記固定電極が基板に設けられ、前記可動電極が該基板に間隙を有しかつ支持部を介して支持された薄膜状の前記可動部に設けられ、該可動部が前記支持部を中心に回動されることを特徴とする請求項１記載の微小薄膜可動素子。
【請求項４】
前記可動部が反射面を有し、該可動部の反射面に入射された光が変調されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の微小薄膜可動素子。
【請求項５】
前記可動部が短絡接点を有し、該可動部の短絡接点が前記基板に設けられた入力端子と出力端子とを開閉して高周波信号の接続および切換を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の微小薄膜可動素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の微小薄膜可動素子を１次元または２次元配列したことを特徴とする微小薄膜可動素子アレイ。
【請求項７】
請求項６記載の微小薄膜可動素子アレイの駆動方法であって、
配列される全ての前記微小薄膜可動素子の前記可動部を、前記電圧に応じた静電気力によって一律に前記固定電極に引き寄せた後、個々の前記微小薄膜可動素子を任意に動作させることを特徴とする微小薄膜可動素子アレイの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動電極と固定電極に印加する電圧に応じた静電気力によって可動部を変位させる微小薄膜可動素子および微小薄膜可動素子アレイ並びに微小薄膜可動素子アレイの駆動方法に関し、例えば光通信、露光装置、プロジェクター、光スイッチ、スキャナー、ＲＦスイッチ、アクチュエータ、マルチプレクサ等に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ技術（ＭＥＭＳ；Micro-Electro Mechanical Systems）の急速な進歩により、μｍオーダーの微小薄膜を電気的に変位・移動させる微小薄膜可動素子の開発が盛んに行われている。この微小薄膜可動素子には、例えばマイクロミラーを傾けて光の偏向を図るデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）や、光路を切り換える光スイッチなどがある。ＤＭＤは、光学的な情報処理の分野において、投射ディスプレイ、ビデオ・モニター、グラフィック・モニター、テレビおよび電子写真プリントなど用途が広い。また、光スイッチは、光通信、光インタコネクション（並列コンピュータにおける相互結合網など光による信号接続技術）、光情報処理（光演算による情報処理）などへの応用が期待されている。
【０００３】
微小薄膜可動素子は、一般的に弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、この可動部が主にスイッチング動作を担う。したがって、可動部の制動制御は、良好なスイッチング動作を行う上でも特に重要となる。
【０００４】
例えば、下記特許文献１に開示されるマイクロミラー装置は、一対の駆動電極のうち一方の電極に電圧を印加し、これら電極間にヒンジ接続により配置されたミラーを有する可動部を、駆動電極との間の電位差および静電容量に応じた静電引力により回転させる構成としている。
【０００５】
また、下記特許文献２に開示される光スイッチの切替制御方法は、制御電圧のオン、オフにより変位する振動部材と、この振動部材の先端に振動部材が変位することにより伝搬光を反射または遮断するエレメントを備えた光スイッチにおいて、上記の制御電圧をオンする前に、振動部材の固有振動周期より短い第１の予備電圧パルスを振動部材に印加し、制御電圧をオフにした後に、振動部材の固有振動周期より短い第２の予備電圧パルスを振動部材に印加している。
【０００６】
一般的に光スイッチでは、制御電圧をオン、オフして振動部材が変位するとき、チャタリングと呼ばれる現象が生じる。このチャタリングは、制御電圧をオンまたはオフにした後に、振動部材が直ちにその制御電圧に対応した変位量分、変化するのではなく、大きな減衰振動をしながら、最終的に制御電圧に対応した変位量分、変位する現象である。したがって、この振動が減衰し、光出力が一定レベルになるまでは、光路を切り換えたことにならず、光スイッチの切り換え速度が制限されてしまう問題があった。これに対し、本従来例による光スイッチの切替制御方法では、振動部材の固有振動周期より短い予備電圧パルスを、制御電圧をオンする前とオフにした後に振動部材に印加することで、チャタリングを制御し、光スイッチの切り換え速度の向上を図っている。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−３３４７０９号公報
【特許文献２】特開平２−７０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されるマイクロミラー装置では、駆動電極のうちの一方に電圧を印加し、可動部と駆動電極との間の電位差および静電容量に応じた静電引力を発生させ、可動部を回転させる。このため、図３２（ａ）に示すように、電圧Ｖａの印加によってマイクロミラーが接触位置へ遷移して、接触位置に着地した直後、接触部材からの反力を受けることで振動が生じた。そして、振動が生じれば、光が制御媒体である場合、揺らぎが生じる。このため、静電動作によって立ち上がりの速い微小薄膜可動素子であっても、振動が収まるまで待つ必要があり、結局動作速度が遅くなる問題があった。また、マイクロミラーが接触位置に着地しない非接触構造の場合であっても、図３２（ｂ）に示すように、所望の回転角度（収束位置）を超えてオーバーシュートが発生することで、振動の鎮静化までに時間を要した。これらの振動やオーバーシュートは、微小薄膜可動素子のスイッチング動作における高速化の妨げとなっていた。
【０００９】
また、特許文献２に開示される光スイッチの切替制御方法は、制御電圧をオン、オフする前に、第１の予備電圧パルス、第２の予備電圧パルスを振動部材に印加し、１つの可動部電極と１つの固定電極により静電気力を単一方向に働かせ、可動支持部の弾性力および慣性力との力のつり合いにより可動部駆動時の振動を抑えようとするものであり、可動部遷移方向に働く順方向のみの静電気力（電位差）を変化させるため、振動抑制効果が小さい問題があった。一般的に、光通信用の光スイッチにおいては、ＤＭＤと異なり、任意の角度で位置だしされるために自由振動の収束までに非常に時間がかかる。また、レーザ光などの光情報を出射側のファイバに反射させて入射させるため、高い制御精度が求められるが、可動部（ミラー部）の振動が上記したチャタリングとしてノイズの原因となる。このように、特に光スイッチの場合、振動の影響はＤＭＤもより大きく、重大な課題となっていた。
【００１０】
さらに、微小薄膜可動素子には、可動部が短絡接点を有し、この可動部の短絡接点が基板に設けられた入力端子と出力端子とを開閉してＲＦ（高周波）信号の接続および切換を行うＲＦスイッチがある。このＲＦスイッチにおいても、可動部の動作速度が、数十ｓｅｃではバウンドは生じないが、５μｓｅｃ程度になると可動部にバウンドが生じる。そして、可動部にバウンドが生じると、上記同様のチャタリングが発生し、動作不良を起こす原因となった。このため、より小さく、確実な動作が高速で可能となるＲＦスイッチの要請があった。
【００１１】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、プルイン時に発生する振動を低減して、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮できる微小薄膜可動素子および微小薄膜可動素子アレイ並びに微小薄膜可動素子アレイの駆動方法を提供し、もって、微小薄膜可動素子動作の高速化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１）  弾性変位可能に支持され少なくとも一部に可動電極を有する可動部と、該可動部に対峙して配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極に印加する電圧に応じた静電気力によって前記可動部を変位させる微小薄膜可動素子であって、前記可動部を変位させる際に印加する電圧が、前記可動部の変位量に応じて発生する抵抗力に抗して前記可動部を前記固定電極側に接触させる静的プルイン電圧以下であり、かつ、前記可動部の動作に応じて発生する慣性力と併せて前記可動部を前記固定電極側に接触させる最小動的プルイン電圧以上の範囲にあることを特徴とする微小薄膜可動素子。
【００１３】
この微小薄膜可動素子では、静的プルイン電圧より大きい電圧が印加されることにより生じる過剰な静電気力が発生せず、また、最小動的プルイン電圧より小さい電圧が印加されることにより生じる静電気力不足が発生せず、必要最小限の静電気力が可動部に作用することになる。これによって従来可動部が大きな速度で最終変位位置へ到達することで生じていた衝突による振動が抑止可能となる。したがって、構造は従来のままで、振動鎮静化時間を無くし或いは大幅に短縮することが可能となる。
【００１４】
（２）  前記固定電極が基板に設けられ、前記可動電極が該基板に間隙を有して支持された薄膜状の前記可動部に設けられ、該可動部が前記基板に対して略平行に接近及び離反動作されることを特徴とする（１）記載の微小薄膜可動素子。
【００１５】
この微小薄膜可動素子では、可動部と基板とによって所謂、平行平板型の素子が構成され、可動電極と固定電極とに電圧が印加されると、静電気力によって可動部が基板へ接近する方向へ平行移動され、最終変位位置で基板へ接触する。この際、過剰な静電気力が発生せず、衝突による可動部の振動が抑止され、振動鎮静化時間をなくし或いは大幅に短縮して、可動部の高速変位が可能となる。
【００１６】
（３）  前記固定電極が基板に設けられ、前記可動電極が該基板に間隙を有しかつ支持部を介して支持された薄膜状の前記可動部に設けられ、該可動部が前記支持部を中心に回動されることを特徴とする（１）記載の微小薄膜可動素子。
【００１７】
この微小薄膜可動素子では、基板の上面に、支持部を中央とした一対の固定電極が設けられ、可動部に可動電極が設けられる。一対の固定電極、可動電極に電圧が印加されると、静電気力によって可動部が支持部を中心に揺動変位され、最終変位位置で基板へ接触する。この際、過剰な静電気力が発生せず、衝突による可動部の振動が抑止され、振動鎮静化時間をなくし或いは大幅に短縮して、可動部の高速変位が可能となる。
【００１８】
（４）  前記可動部が反射面を有し、該可動部の反射面に入射された光が変調されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項記載の微小薄膜可動素子。
【００１９】
この微小薄膜可動素子では、固定電極、可動部へ電圧が印加されると、可動部が揺動変位され、可動部の反射面に入射した光の反射方向が偏向される。この際、過剰な静電気力が発生せず、衝突による可動部の振動が抑止され、振動鎮静化時間をなくし或いは大幅に短縮して、可動部の高速変位が可能となり、その結果、高速の光変調が可能となる。
【００２０】
（５）  前記可動部が短絡接点を有し、該可動部の短絡接点が前記基板に設けられた入力端子と出力端子とを開閉して高周波信号の接続および切換を行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項記載の微小薄膜可動素子。
【００２１】
この微小薄膜可動素子では、可動電極、固定電極に電圧が印加されると、静電気力によって可動部が変位され、最終変位位置で可動部の短絡接点が基板の入力端子と出力端子とに同時に接触し、入力端子と出力端子とを閉じる。この際、過剰な静電気力が発生せず、衝突による可動部の振動が抑止され、振動鎮静化時間をなくし或いは大幅に短縮して、可動部の高速動作が可能となり、その結果、ＲＦ（高周波）信号の高速接続および高速切換が可能となる。
【００２２】
（６）  （１）〜（５）のいずれか１項記載の微小薄膜可動素子を１次元または２次元配列したことを特徴とする微小薄膜可動素子アレイ。
【００２３】
この微小薄膜可動素子アレイでは、個々の微小薄膜可動素子が必要最小限の静電気力で作動され、振動が低減されてアレイ全体の高速動作が可能となる。また、例えば光通信用の光スイッチアレイでは高精度が求められるため、個々の素子のばらつきに起因する作動誤差の補正が必要となるが、本微小薄膜可動素子アレイでは、補正に対応させて個々の微小薄膜可動素子の印加電圧が変更可能となる。
【００２４】
（７）  （６）記載の微小薄膜可動素子アレイの駆動方法であって、配列される全ての前記微小薄膜可動素子の前記可動部を、前記電圧に応じた静電気力によって一律に前記固定電極に引き寄せた後、個々の前記微小薄膜可動素子を任意に動作させることを特徴とする微小薄膜可動素子アレイの駆動方法。
【００２５】
この微小薄膜可動素子アレイの駆動方法では、電圧非印加時に生じている個々の素子の個体差による可動部の変位バラツキが除去可能になる。これにより、可動部がバラツキの無い状態からの一律に制御可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る微小薄膜可動素子によれば、可動電極と固定電極に印加する電圧に応じた静電気力によって可動部を変位させる微小薄膜可動素子において、可動電極と固定電極に印加する電圧が、静的プルイン電圧と等しくまたはそれより小さく、かつ最小動的プルイン電圧と等しくまたはそれより大きい範囲にあるので、静的プルイン電圧より大きい電圧が印加されることにより生じる過剰な静電気力が発生せず、必要最小限の静電気力を可動部に作用させることができる。したがって、構造は従来のままで、プルイン時に発生する振動を低減することができる。この結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、微小薄膜可動素子を高速動作させることができる。
【００２７】
本発明に係る微小薄膜可動素子アレイによれば、請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の微小薄膜可動素子を１次元または２次元配列したので、個々の微小薄膜可動素子を必要最小限の静電気力で作動させ、振動を低減してアレイ全体の高速動作が可能となる。これにより、例えば高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタ表示等が可能となる。また、光通信用の光スイッチアレイでは高精度が求められるため、個々の素子のばらつきに起因する作動誤差の補正が必要となるが、本微小薄膜可動素子アレイによれば、補正に対応させて個々の微小薄膜可動素子の印加電圧を変えることで、作動誤差の補正を容易に行うことができる。
【００２８】
本発明に係る微小薄膜可動素子アレイの駆動方法によれば、配列される全ての微小薄膜可動素子の可動部を、電圧に応じた静電気力によって一律に固定電極に引き寄せた後、個々の微小薄膜可動素子を任意に動作させるので、電圧非印加時に生じている個々の素子の個体差による可動部の変位バラツキを除去することができ、バラツキの無い状態からの一律の制御が可能となる。この結果、個々の微小薄膜可動素子の作動誤差を無くすことができ、全ての微小薄膜可動素子を均一に作動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る微小薄膜可動素子および微小薄膜可動素子アレイ並びに微小薄膜可動素子アレイの駆動方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る微小薄膜可動素子の第１の実施の形態を（ａ），（ｂ）で表す概念図、図２は図１に示した微小薄膜可動素子の静的プルイン電圧印加時の動作過程を（ａ），（ｂ），（ｃ）で表した動作説明図、図３は静的プルイン電圧印加時の可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図、図４は図１に示した微小薄膜可動素子の動的プルイン電圧印加時の動作過程を（ａ），（ｂ），（ｃ）で表した動作説明図である。
【００３０】
本実施の形態による微小薄膜可動素子１００は、基本的な構成要素として、基板２１と、基板２１に空隙２３を介して平行に配置される小片状の可動部２７と、可動部２７の両縁部から延出される支持部であるヒンジ２９、２９と、このヒンジ２９、２９を介して可動部２７を基板２１に支持するスペーサ３１、３１とを備える。このような構成により、可動部２７は、ヒンジ２９、２９の捩れによって回転変位が可能となっている。
【００３１】
微小薄膜可動素子１００は、可動部２７の上面が光反射部（マイクロミラー部）となる。この他、本発明に係る微小薄膜可動素子は、可動部２７の材質を適宜選択し、或いは短絡接点等を付設することにより、音波、流体、熱線のスイッチング、或いはＲＦ信号のスイッチングも可能にすることができる。
【００３２】
本実施の形態において、可動部２７は、特定方向の変位の最終位置に到達するに際し、基板２１や図示しない停止部材に接触して停止する。つまり、接触型の微小薄膜可動素子を構成している。
【００３３】
基板２１の上面には、ヒンジ２９、２９を中央として両側に固定電極である第１アドレス電極３５ａと第２アドレス電極３５ｂが設けられる。また、可動部２７にもその一部に可動電極２８が設けられている。微小薄膜可動素子１００には基板２１中に駆動回路３７が設けられ、駆動回路３７は可動部２７と第１アドレス電極３５ａとの間、可動部２７と第２アドレス電極３５ｂとの間に電圧を印加する。微小薄膜可動素子１００は、基本動作として、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂ、可動部２７へ電圧を印加することによって、ヒンジ２９、２９を捩り中心として可動部２７を揺動変位させる。つまり、可動部２７がマイクロミラー部であることにより、光の反射方向がスイッチングされる。
【００３４】
微小薄膜可動素子１００では、可動部２７に対し、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂに電位差を与えると、それぞれの電極と、可動部２７との間に静電気力が発生し、ヒンジ２９、２９を中心に回転トルクが働く。この際に発生する静電気力は、真空中の誘電率、可動部２７の面積、印加電圧、可動部２７とアドレス電極の間隔に依存する。
【００３５】
したがって、真空中の誘電率、可動部２７の面積、可動部２７とアドレス電極の間隔、ヒンジ２９、２９の弾性係数が一定である場合、可動部２７は、それぞれの電極の電位を制御することにより、左右に回転変位可能となる。例えば、Ｖａ＞Ｖｂのときには、第１アドレス電極３５ａと可動部２７に発生する静電気力が、第２アドレス電極３５ｂと可動部２７に発生する静電気力より大きくなり、可動部２７が左側に傾く。逆に、Ｖａ＜Ｖｂのときは、第２アドレス電極３５ｂと可動部２７に発生する静電気力が、第１アドレス電極３５ａと可動部２７に発生する静電気力より大きくなり、可動部２７がは右側に傾く。
【００３６】
このように、可動部２７の可動電極、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂは、可動部２７を回転変位させる駆動源となっている。このような駆動源から可動部２７へ加えられる物理的作用力が、静電気力となることで、高速な回転変位が可能となっている。
【００３７】
なお、可動部２７に作用させる物理的作用力は、静電気力以外の物理的作用力であってもよい。その他の物理的作用力としては、例えば、圧電体による効果や電磁力を挙げることができる。この場合、駆動源としては、圧電素子を用いた圧電型アクチュエータや、マグネット・コイルを用いた電磁型アクチュエータが採用される。
【００３８】
このように、微小薄膜可動素子１００は、双方向に変位する可動部２７を備え、この可動部２７がスイッチング機能を有する。可動部２７は、物理的作用力を加える複数の駆動源（可動部２７の可動電極２８、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂ）によって回転変位される。本実施の形態による微小薄膜可動素子１００は、物理的作用力として静電気力が作用する。この静電気力が可動部２７を、重力、ヒンジ２９、２９の弾性力に抗して基板２１側へと引き付ける。このようにして静電気力によって可動部２７が揺動変位して、揺動先端が基板２１へと吸着される（張り付く）状態をプルイン（Pull-in）と称す。即ち、可動部２７は、可動電極２８、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂに印加されるPull-in電圧によって発生する静電気力で変位される。
【００３９】
ここで、Pull-in電圧は、後に詳述するように、静的Pull-in電圧と、動的Pull-in電圧とに分けることができる。図２（ａ）に示すように、静電気力が作用していない場合、可動部２７は平衡状態となる。静電気力が作用し、静電トルクＴ１がヒンジ２９、２９の捩りトルクＴｍより小さい場合（Ｔｍ＞Ｔ１）には、可動部２７は図２（ｂ）に示すように傾斜するが吸着には至らない。一方、静電トルクＴ１が捩りトルクＴｍを上回った瞬間（Ｔｍ＜Ｔ１）、可動部２７は図２（ｃ）に示すように基板２１へ吸着されるPull-in状態となる。このときの電圧が静的Pull-in電圧となる。
【００４０】
ここで、図３に示すように、静的Pull-in電圧Ｖｐに達する前は、アナログ制御領域と言われ、２値では制御されない。即ち、無段階的なアナログ制御が可能な領域となる。また、Pull-in状態での変位量をε2，Pull-in電圧印加時の変位量をε1とすると、ε1≒ε2／３の関係が成り立つ。即ち、可動部２７は、変位の１／３までは吸着されない。これは１／３則と呼ばれる。
【００４１】
したがって、静的Pull-in電圧Ｖｐを印加すれば、可動部２７は、ヒンジ２９、２９の捩りトルクＴｍに静電トルクＴ１が打ち勝って、基板２１側へ張り付く。このため、静的Pull-in電圧Ｖｐより大きな電圧の印加は不要であり、これを超える過剰な電圧を印加すれば、可動部２７が基板２１側へ衝突した際の反力が増大し、振動が増加することとなる。
【００４２】
また、図４（ａ）に示すように、静電気力が作用していない場合、可動部２７は平衡状態となる。静電気力が作用し、静電トルクＴ１と慣性力Ｔｋとの和が、ヒンジ２９、２９の捩りトルクＴｍより小さい場合（Ｔｍ＞Ｔ１＋Ｔｋ）には、可動部２７は図４（ｂ）に示すように傾斜するが吸着には至らない。一方、静電トルクＴ１と慣性力Ｔｋとの和が捩りトルクＴｍを上回った瞬間（Ｔｍ＜Ｔ１＋Ｔｋ）、可動部２７は図４（ｃ）に示すように基板２１へ吸着されるPull-in状態となる。このときの電圧が動的Pull-in電圧となる。
【００４３】
動的Pull-in電圧は、慣性力が考慮されているため、静的Pull-in電圧より小さい値となる。但し、慣性力は、印加電圧によっても変化するし、可動部２７等の寸法、質量によっても変化する。つまり、動的Pull-in電圧は、素子毎、駆動方法毎によっても変化する。さらに、動的Pull-inは、ブレーキ力として作用する空気抵抗等の影響もあるが、その作用は僅かなことから無視できる程度である。
【００４４】
静的Pull-in電圧と動的Pull-in電圧とは、慣性力Ｔｋの分、常に静的Pull-in電圧＞動的Pull-in電圧の関係が成り立つ。ここで、駆動電圧が動的Pull-in電圧より小さければ可動部２７は相手側（基板２１側）に張り付かない。また、動的Pull-in電圧より駆動電圧が大きくなると、可動部２７が基板２１側へ接触する際の振動が駆動電圧の増大に伴って徐々に大きくなる。さらに、可動部２７が停止状態では、駆動電圧が静的Pull-in電圧以下であると、可動部２７は基板２１側へは張り付かない。
【００４５】
本実施の形態による微小薄膜可動素子１００では、可動部２７を変位駆動させるための電圧が、静的Pull-in電圧と等しくまたはそれより小さく、かつ最小動的Pull-in電圧と等しくまたはそれより大きい範囲にある。
即ち、静的Pull-in電圧≧駆動電圧≧最小動的Pull-in電圧の式を満たす。このような範囲に駆動電圧を設定することで、必要以上の静電気力を発生させないようにし、プルイン時における可動部２７の振動を低減している。つまり、必要最小限の電圧印加で振動発生を防止している。これは、図３に示したアナログ制御領域を超えたε1からε2までの変位領域での駆動電圧を調整して行われる。
【００４６】
次に、微小薄膜可動素子１００の駆動シーケンスを具体的に説明する。
図５は本発明に係る駆動方法の可動部の挙動を表した説明図、図６は本発明に係る駆動方法の駆動シーケンスの説明図である。
図５（Ａ）に示すように、微小薄膜可動素子１００は、初期状態において例えば可動部２７が左側（図５の左側）に傾斜している。このとき、可動電極２８には図６に示すように、一定の共通電圧Ｖｂ（＋２０Ｖ）が印加されている。一方、第１アドレス電極３５ａに印加されるアドレス電圧Ｖａ１（０Ｖ）は、第２アドレス電極３５ｂに印加されるアドレス電圧Ｖａ２（＋５Ｖ）より小さく設定されている（Ｖａ１＜Ｖａ２）。したがって、可動部２７の左側の電極間電圧（｜Ｖｂ−Ｖａ１｜＝ΔＶ１＝２０Ｖ）が、右側の電極間電圧（｜Ｖｂ−Ｖａ２｜＝ΔＶ２＝１５Ｖ）より大きくなる（ΔＶ１＞ΔＶ２）。これにより、可動部２７は静電気力による右回りの静電トルクＴＲ２とヒンジ２９、２９の弾性復元力ＴＲｅの総和より、左回りの静電トルクＴＲ１が大きくなって左側へ傾く。
【００４７】
次いで、図５（Ｂ）、図６に示すように、共通電圧Ｖｂはそのままで、第１アドレス電極３５ａと第２アドレス電極３５ｂとに印加される電圧が反転される（Ｖａ１＞Ｖａ２）。即ち、第１アドレス電極３５ａにアドレス電圧Ｖａ１（５Ｖ）を印加し、第２アドレス電極３５ｂにアドレス電圧Ｖａ２（０Ｖ）を印加して、次の変位信号の書込みＴｗを行う。この際、電極間電圧は（ΔＶ１＝１５Ｖ）＜（ΔＶ２＝２０Ｖ）となって右側が大きくなるが、ラッチ状態に保持されたままとなる。
【００４８】
この状態から例えば可動部２７を右傾斜へ遷移させる駆動シーケンスでは、まず、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂへのアドレス電圧（Ｖａ１＞Ｖａ２）はそのままにして、図６の符号（Ｃ）位置に示すように、共通電圧Ｖｂのみを下げる（例えばＶｂ＝５Ｖ）。すると、可動部２７の左側での静電気力が消失し（ΔＶ１＝０）、右側では僅かな静電気力が働き（ΔＶ２＝５Ｖ）、これにヒンジ２９、２９の弾性復元力が加わって、図５（Ｃ）に示すように、可動部２７の左側が浮上し、左傾斜の保持が解除された状態となる。
【００４９】
次いで、図６の符号（Ｄ）位置に示すように、共通電圧Ｖｂを元の一定値（Ｖｂ＝２０Ｖ）に戻した後、共通電圧Ｖｂを減少させる（例えばＶｂ＝５Ｖ）共通制御を行う。即ち、可動部２７が最終変位位置である右側の着地サイト３９に到達する前に、可動電極２８と第２アドレス電極３５ｂとの間の電極間電圧の絶対値を減少させる（ΔＶ２＝５Ｖ）。これにより、可動部２７が着地サイト３９へ到達する直前の速度が減速される。
【００５０】
次いで、共通電圧Ｖｂを元の一定値（Ｖｂ＝２０Ｖ）に戻すと、可動部２７の右側の電極間電圧（ΔＶ２＝２０Ｖ）が左側の電極間電圧（ΔＶ１＝１５Ｖ）より大きくなり、図５（Ｄ）に示すように、可動部２７が右傾斜へと遷移する。可動部２７は、右傾斜へ遷移すると、第２アドレス電極３５ｂとの距離が短くなることで、静電気力が相乗的に大きくなり、今度は右側が着地サイト３９に着地した状態に保持される。
【００５１】
可動部２７は、右側が着地した直後、着地サイト３９からの反力を受けることで振動が生じる。そのため、次の書込みは、スイッチ時間Ｔｒの経過の後、さらに振動鎮静化時間Ｔｓを待った後行われる。共通電圧Ｖｂの減少から次の書込みまでの時間（Ｔｄ＝Ｔｒ＋Ｔｓ）は、微小薄膜可動素子１００に依存する固有の時間となる。また、図６中、Ｔｂは、前の書込みが終って次の書込みが始まる時間を示す。したがって、微小薄膜可動素子１００では、書込み時間Ｔｗと、前の書込みが終って次の書込みが始まる時間Ｔｂとの総和時間（駆動サイクル）Ｔｃ＝Ｔｗ＋Ｔｂが繰り返されることで、１ブロック分（１行分）の書込みが行われる。
【００５２】
ここで、可動部２７は、右側が着地する際、速度が必要最小限に減速されるため、着地サイト３９からの大きな反力を受けることがなく、振動を生じさせずに、図５（Ｅ）に示す状態でのラッチが可能となる。この状態で、駆動回路３７が次の変位信号を固定電極３５へ出力し、図６の符号（Ｅ）位置に示すように、次の変位信号の書込みＴｗを行う。
【００５３】
次に、静的Pull-in電圧、動的Pull-in電圧について詳細に説明する。
可動部２７の振動は、一般的な運動方程式に従う。なお、ここでは説明を簡単にするため直線運動系を中心に記述することとする。変位量をｘとしたときの運動方程式は（１）式で表せる。
ｍ・ｄ2ｘ／ｄｔ2＋ｃ・ｄｘ／ｄｔ＋ｋ・ｘ＝Ｆ    ・・・（１）
但し、
ｍ：質量、ｃ：粘性減衰係数、ｋ：弾性定数、Ｆ：外力（静電気力）
回転運動系では、（１）式の各項を回転モーメントとして考えればよい。
【００５４】
（Ｉ）静的Pull-in電圧
可動部２７が時間的な変化を持たない為、慣性力・粘性力は共にゼロとおくことができる。その場合に、変位量ｘがとれる範囲内で、（１）式における ｋ・ｘ＝Ｆ が成立しなくなる電圧を静的Pull-in電圧という。
図７は静的Pull-in電圧を説明するための電圧と変位の関係を概念的に示すグラフである。図７に示すように、電圧の増加に伴って変位が漸増し、ある電圧値に達したときに一気に最大変位位置まで変位して可動部２７が相手側部材に接触する。この電圧値が静的Pull-in電圧となる。
【００５５】
（II）動的Pull-in電圧
前述の動的Pull−in電圧のうち、可動部２７が時間的変化を持つ移動時の場合、可動部２７が最大変位位置に達して慣性力・粘性力がゼロとなる点において、（１）式における ｋ・ｘ＝Ｆ が成立しなくなる電圧が動的Pull-in電圧の中で最も低い電圧（最小動的Pull−in電圧）となる。即ち、最小動的Pull-in電圧とは、慣性力と粘性力が共にゼロとなる可動部２７の最大変位時に、可動部２７がPull-in動作をする電圧である。
【００５６】
図８は最小動的Pull-in電圧を説明するための変位量の時間変化を概念的に示すグラフでる。図８に示すように、可動部２７の変位量が最大となるｔ1においては、慣性力・粘性力が共にゼロとなる。このときに、接触位置へ向いた力Ｆｔ１が、反対向きの力Ｆｘ1より大きくなるときの電圧が最小動的Pull-in電圧となる。
【００５７】
（III）シミュレーションによる具体例
ａ）静的Pull-in電圧Ｖｓの導出
可動部２７に働く静電気力Ｆは、次式によっても表せる。
Ｆ＝１／２・｛ε0・Ｓ／（ｄ−ｘ）2｝・Ｖ2 ・・・（２）
但し、
ε0：真空の誘電率
Ｓ：電極面積
ｄ：初期ギャップ
Ｖ：電圧
静電気力Ｆをｋ・ｘとおき、（２）式を変数分離すると、（３）式となる。
ｘ・（ｄ−ｘ）2 ＝１／２・ε0・Ｓ・Ｖ2／ｋ ・・・（３）
【００５８】
ここで、（３）式の左辺を変位による力Ｆ（ｘ）、右辺を電圧による力Ｆ（Ｖ）とおいて、双方の関係を表すと図９（ａ）に示すようになる。図９（ａ）は変位量に対する外力Ｆの変化の様子を示すグラフである。電圧による力Ｆ（Ｖ）は、電圧値Ｖによって力の絶対値が変化する。
【００５９】
ところで、静的Pull-inを生じる変位量ｘｓは、ｄＦ（ｘ）／ｄｔ＝０を満たす変位量ｘｓであり、図９（ｂ）に示すようになる。図９（ｂ）は図９（ａ）のＦ（Ｖ）を静的Pull-in電圧Ｖｓとした場合のグラフである。
（３）式より、静的Pull-inを生じる変位量ｘｓを求めると、
ｄＦ（ｘ）／ｄｔ＝（ｘ−ｄ）・（３ｘ−ｄ）＝０  ・・・（４）
（４）式より、静的Pull-inを生じる変位量ｘｓは、ｘｓ＝ｄ／３となる。
このときの静的Pull-in電圧Ｖｓは、
Ｖｓ＝｛８・ｋ・ｄ3／（２７・ε0・Ｓ）｝1/2  ・・・（５）
で求められる。
【００６０】
ｂ）最小動的Pull-in電圧Ｖｄの導出
ここでは計算の簡単化のため、時間ｔ＝０のとき、変位量ｘ＝０として、初期状態の変位量をゼロとする。また、粘性を表す項Ｃ・ｄｘ/ｄｔ＝０とおいた。
可動部２７に電圧Ｖ（静的Pull-in電圧Ｖｓ以下）を印加した場合の可動部の振動波形を図１０、静的な電圧−変位の相関を図１１に示した。
ここで、ｘ１は最終変位量であり、最大変位量ｘ2は、粘性力をゼロとおいたためｘ2＝２・ｘ1とおける。
【００６１】
図１１に示すように、Pull-in曲線（ＰＩＣ曲線）よりも変位が大きい領域がPull-in領域Ｓpiであり、印加する電圧によりPull-inする変化量は異なってくる。前述した変位量ｘ1、ｘ2は共に慣性力＝粘性力＝ゼロとなり、図１１の静的な電圧−変位図に当てはめて考えることができる。最小動的Pull−in電圧は、前述したように慣性力、粘性力が共にゼロで、最大変位時にPull−inする電圧のことである為、最大変位ｘ2がＰＩＣ曲線に乗る電圧が最小動的Pull−in電圧である。
【００６２】
収束時（時間ｔ→∞）のときの変位量ｘ１、最大変位量ｘ２とすると、次の（６）式〜（８）式を満たす電圧が動的Pull-in電圧Ｖｄとなる。
ｋ・ｘ１＝１／２・｛ε0・Ｓ／（ｄ−ｘ１）2｝・Ｖ2 ・・・（６）
ｋ・ｘ２＝１／２・｛ε0・Ｓ／（ｄ−ｘ２）2｝・Ｖ2 ・・・（７）
ｘ２＝１／２・ｘ１ ・・・（８）
【００６３】
（８）式では、粘性による影響が少ないため、前述の（１）式における慣性項と粘性項は省略している。（６）式〜（８）式よりｘ１，ｘ２，Ｖｄを求めると、次のようになる。
ｘ１＝（３−√２）・ｄ／７      ・・・（９）
ｘ２＝２／（３−√２）・ｄ／７  ・・・（１０）
Ｖｄ＝｛２・ｋ・（３−√２）・（４＋√２）2・ｄ３／（７3・ε0・Ｓ）｝1/2  ・・・（１１）
ただし、（１１）式はｘ２＝２ｘ１とした場合である。
【００６４】
ｃ）シミュレーション
ここで、可動部２７が回転運動系となるＤＭＤ素子を用いて、静的Pull-in電圧Ｖｓをシミュレーションにより求めた。
図１２に本シミュレーションに用いたＤＭＤ素子の概略図を示した。図１２に示すように、ＤＭＤ素子４１は、ミラーである可動部２７と、下部電極である第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂと、ヒンジ２９と、ギャップ間隔である空隙２３と、ミラー支柱４３と、ヨーク４５と、着地サイト３９とからなる。可動部２７は、回転軸Ｌを中心に回転動作する。
【００６５】
図１３に図１２のＡ−Ａ断面とその動作を（ａ），（ｂ）で示した。図１３（ａ）は可動部２７が傾斜せずにいるイニシャル状態、図１３（ｂ）は第１アドレス電極３５ａと可動部２７との間に静電気力を発生させて、可動部を傾斜させた状態を示している。
【００６６】
シミュレーション条件
ＤＭＤ素子の主な寸法
ヒンジ厚さ    ：０．０８μｍ
ヨーク厚さ    ：０．３５μｍ
ミラー平面寸法：１２．６×１２．６μｍ
ミラー厚さ    ：０．４６μｍ
ミラー支柱高さ：２．０μｍ
ギャップ間隔  ：１μｍ
その他の寸法Ｌ１〜Ｌ９は図１４に示した通りである。
【００６７】
図１５にＤＭＤの静的Pull-in電圧のシミュレーション結果を示した。
これによれば、アドレス電圧を０Ｖから２Ｖ毎に増加させて印加し、そのときの可動部２７の回転角を調べると、印加電圧１８Ｖの手前までは電圧の上昇に伴い回転角が緩やかに漸増した。さらに、１８Ｖを超えて印加すると、回転角が急激に変化し、可動部２７が最終変位位置に達する。
実際のＤＭＤ素子４１は、駆動方法にもよるが、２３Ｖで駆動されることが多い。即ち、静的Pull-in電圧以上の電圧で駆動されている。
【００６８】
図１６は、実際の駆動波形であり、静的平衡状態では、図１６（ａ）に示すように、一定の駆動電圧となるが、可動部２７が振動している場合は、図１６（ｂ）に示すように、動的Pull-in電圧が制御に支配的となり、より低い電圧を印加することになる。駆動の途中では、可動部２７が移動を繰り返しているときがあり、その場合は、動的Pull-in電圧に基づいた駆動制御がなされる。即ち、駆動途中の電圧を低くすることができる。
【００６９】
次に、微小薄膜可動素子を実際に製作して、駆動電圧と変位との相関を調べた結果を説明する。
図１７は試作可動部を（ａ）、電極構成を（ｂ）に表した説明図、図１８は電圧と変位との相関を電圧別に（ａ），（ｂ），（ｃ）で表したグラフである。試作に用いた可動部２７は、矩形状薄膜の左右の長辺中央部に、直交方向のヒンジ２９、２９を延出させて構成した。空隙２３は、約０．８μｍに設定した。
【００７０】
図１８（ａ）に示すように、駆動電圧として最小動的Pull-in電圧以下の電圧Ｖａを印加した場合、プルインしない状態のまま可動部２７の振動が減衰して停止した。
図１８（ｂ）に示すように、最小動的Pull-in電圧を少し超えた電圧Ｖｂを印加した場合、小さな振動が減衰して停止した。
図１８（ｃ）に示すように、静的Pull-in電圧以上の電圧Ｖｃを印加した場合、大きな振動が発生し、長時間の減衰を経て停止した。
【００７１】
したがって、微小薄膜可動素子１００によれば、可動電極と固定電極とに印加する電圧に応じた静電気力によって可動部２７を変位させる微小薄膜可動素子１００において、印加する電圧が、静的Pull-in電圧以下であり、且つ、最小動的Pull-in電圧以上の範囲にあるので、静的Pull-in電圧より大きい電圧が印加されることにより生じる過剰な静電気力が発生せず、必要最小限の静電気力を可動部２７に作用させることができる。したがって、構造は従来のままで、プルイン時に発生する振動を低減することができる。この結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、微小薄膜可動素子１００を高速動作させることができる。
【００７２】
図１９は２軸にて揺動される可動部を備えた３次元微小薄膜可動素子の例を表した斜視図である。
微小薄膜可動素子１００は、図１に示したヒンジ２９、２９を捩れ中心とする基本構成となる１軸の２次元微小薄膜可動素子の他、図１９に示すヒンジ２９ａ、２９ａ、ヒンジ２９ｂ、２９ｂを捩れ中心とする２軸の３次元微小薄膜可動素子１００Ａであってもよい。この場合、３次元微小薄膜可動素子１００Ａは、第１アドレス電極３５ａと第２アドレス電極３５ｂに加え、第３アドレス電極３５ｃと第４アドレス電極３５ｄが設けられることになる。そして、第１アドレス電極３５ａ、第２アドレス電極３５ｂと、可動部２７とへの電圧印加によって可動部２７がＸ方向に駆動され、第３アドレス電極３５ｃ、第４アドレス電極３５ｄと、可動部２７とへの電圧印加によって可動部２７がＹ方向に駆動される。
【００７３】
このような３次元微小薄膜可動素子１００Ａの場合においても、必要最小限の静電気力を可動部２７に作用させることができ、構造は従来のままで、プルイン時に発生する振動を低減することができる。この結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、微小薄膜可動素子１００Ａを高速動作させることができる。
【００７４】
次に、本発明に係る微小薄膜可動素子の第２の実施の形態を説明する。
図２０は本発明に係る微小薄膜可動素子の第２の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による微小薄膜可動素子２００は、可動部５１の一端がヒンジ２９、２９、スペーサ３１、３１を介して基板２１に支持固定されている。つまり、可動部５１は、他端が自由端となった片持ち梁状に構成される。そして、基板２１上には可動部５１の自由端に対向して第１アドレス電極３５ａが設けられ、可動部５１を挟んだ第１アドレス電極３５ａの反対側には図示しない対向基板に形成される第２アドレス電極３５ｂが設けられている。
【００７５】
このような構成の微小薄膜可動素子２００においても、第１アドレス電極３５ａと可動部５１との間、または、第２アドレス電極３５ｂと可動部５１との間に印加する電圧Ｖａ，Ｖｂが、静的Pull-in電圧以下であり、且つ、最小動的Pull-in電圧以上の範囲にあるので、静的Pull-in電圧より大きい電圧が印加されることにより生じる過剰な静電気力が発生せず、必要最小限の静電気力を可動部５１に作用させることができる。したがって、プルイン時に発生する振動を低減することができる。この結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、微小薄膜可動素子１００を高速動作させることができる。
【００７６】
次に、本発明に係る微小薄膜可動素子の第３の実施の形態を説明する。
図２１は本発明に係る微小薄膜可動素子の第３の実施の形態を表す概念図である。
本実施の形態による微小薄膜可動素子３００は、所謂、平行平板型の素子であって、導電性と可撓性を有する平板状の可動部６１の両端が基板２１上に形成した絶縁膜６３に所定の空隙２３を有して固定されている。この基板２１の可動部６１の下方には、絶縁膜６３を介して、第１アドレス電極３５ａが配設されており、また、可動部６１の上方には絶縁膜６５を介して第２アドレス電極３５ｂが配設されている。つまり、可動部６１は、第１アドレス電極３５ａと第２アドレス電極３５ｂとの間で両端が支持された両持ち梁状に構成されている。
【００７７】
このような平行平板型の微小薄膜可動素子３００においても、第１アドレス電極３５ａと可動部６１との間、または、第２アドレス電極３５ｂと可動部６１との間に印加する電圧Ｖａ，Ｖｂが、静的Pull-in電圧以下であり、且つ、最小動的Pull-in電圧以上の範囲にあるので、静的Pull-in電圧より大きい電圧が印加されることにより生じる過剰な静電気力が発生せず、必要最小限の静電気力を可動部６１に作用させることができる。したがって、プルイン時に発生する振動を低減することができ、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、微小薄膜可動素子３００を高速動作させることができる。
【００７８】
次に、本発明に係る微小薄膜可動素子の第４の実施の形態を説明する。
図２２は本発明に係る微小薄膜可動素子をＲＦスイッチに応用した第４の実施の形態を表す平面図、図２３は図２２に示したＲＦスイッチのオフ状態のＤ−Ｄ断面を（ａ）、オン状態のＤ−Ｄ断面を（ｂ）に表した説明図、図２４は図２２に示したＲＦスイッチのオフ状態のＥ−Ｅ断面を（ａ）、オン状態のＥ−Ｅ断面を（ｂ）に表した説明図である。
本発明に係る微小薄膜可動素子は、その基本構成によりマイクロミラー部を備えないＲＦスイッチ４００に応用することができる。ＲＦスイッチ４００は、カンチレバー式のＲＦ（radio frequency）スイッチを構成している。即ち、ＲＦスイッチ４００は、基板２１に空隙２３を介して平行に配置される可動部であるカンチレバー７１と、カンチレバー７１の基端を基板２１に支持するスペーサ３１と、第１電極３５ｅおよび第２電極３５ｆと、入力端子７３と、出力端子７５と、短絡接点７９とを備える。
【００７９】
このような構成により、第１電極３５ｅおよび第２電極３５ｆに電圧が印加されることで、静電気力によってカンチレバー７１が上下に弾性変位し、入力端子７３と出力端子７５とを開閉して、ＲＦ（高周波）信号の接続および切換を行うＲＦスイッチを実現している。このＲＦスイッチ４００は、１つのスイッチで、例えば送信／受信時の低周波と高周波の信号経路を切換可能にできる。また、２つの入力端子７３、出力端子７５で構成する接点は、1つのメカニカル素子を使って接続し、閉路を形成できる。これにより、信号経路を接続する直列接続モードと、信号経路を接地に落とす短絡モードの両方が実現可能となる。
【００８０】
ここで、スイッチやルーター、ＲＦ信号処理に本発明に係る微小薄膜可動素子の構成を活用すれば、通常の電子部品を使った場合に比べて、はるかに良好な性能を実現できる。即ち、可動部の振動をアクティブに減少させることができることから、スイッチング動作を高速化できる。また、伝送損失を低減でき、オフ状態での絶縁性を高められる。インダクターやコンデンサーに適用すれば、通常の半導体プロセスを使って作成した場合に比べて、はるかに高いＱ値を有する同調（チューニング）回路を実現できる。帯域通過フィルターや位相シフターを構成すれば、ＳＡＷ素子を上回るこれまでにない高いレベルの性能を得られる。可変容量コンデンサーを構成すれば、バラクター・ダイオードよりも理想に近い同調特性を有する回路を実現できる。さらに、オフ状態の絶縁性は通常で４０ｄＢ以上と高く、オン状態での挿入損失は１ｄＢの数分の1とすることが可能となり、ダイオードやＦＥＴスイッチとは異なり、ほぼ理想的なＲＦ特性を得ることができる。
【００８１】
上記の各実施の形態に開示した微小薄膜可動素子１００、２００、３００、４００のそれぞれは、１次元又は２次元配列することによって微小薄膜可動素子アレイを構成することができる。
この微小薄膜可動素子アレイでは、高速なスイッチング動作の可能となった微小薄膜可動素子１００、２００、３００、４００がアレイ化され、振動の鎮静化する時間の短縮が可能となり、従来より早いアドレス電圧の書込みが可能となる。
即ち、個々の微小薄膜可動素子を必要最小限の静電気力で作動させ、振動を低減してアレイ全体の高速動作が可能となる。これにより、例えば高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタ表示等が可能となる。また、例えば光通信用の光スイッチアレイでは高精度が求められるため、個々の素子のばらつきに起因する作動誤差の補正が必要となるが、本微小薄膜可動素子アレイによれば、補正に対応させて個々の微小薄膜可動素子の印加電圧を変えることで、作動誤差の補正を容易に行うことができる。
【００８２】
また、光通信用の微小薄膜可動素子アレイでは高精度が求められるため、個々の素子のばらつきに起因する作動誤差の補正が必要となる。したがって、微小薄膜可動素子アレイにおいては、各素子ごとにこの補正を行わなければならない。これに対し、本実施の形態による微小薄膜可動素子アレイによれば、この補正に対応させて個々の微小薄膜可動素子１００、２００、３００、４００における印加電圧を変えることで、作動誤差の補正を容易に行うことができる。
【００８３】
図２５は微小薄膜可動素子アレイにおける駆動方法の手順を（ａ），（ｂ），（ｃ）で表した動作説明図である。
微小薄膜可動素子アレイ５００は、配列される全ての例えば微小薄膜可動素子１００の可動部２７を、図２５（ａ）に示す平衡な状態から、図２５（ｂ）に示すように、静電気力によって一律に固定電極（例えば第１アドレス電極３５ａ）に引き寄せた後、個々の微小薄膜可動素子１００を任意に動作させることができる。このような微小薄膜可動素子アレイ５００の駆動方法では、電圧非印加時に生じている個々の素子１００の個体差による可動部２７の変位バラツキが除去可能になる。
【００８４】
したがって、この微小薄膜可動素子アレイ５００の駆動方法によれば、電圧非印加時に生じている個々の素子１００の個体差による可動部２７の変位バラツキを除去することができ、バラツキの無い状態からの一律の制御が可能となる。この結果、個々の微小薄膜可動素子１００の作動誤差を無くすことができ、配列された全ての微小薄膜可動素子１００を均一に作動させることができる。
【００８５】
図２６は微小薄膜可動素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有した構成を示す説明図である。
微小薄膜可動素子アレイ５００は、微小薄膜可動素子１００のそれぞれがメモリ回路８１を含む駆動回路３７（図１参照）を有することが好ましい。このようなメモリ回路８１が備えられることで、メモリ回路８１に対して予め素子変位信号の書き込みが可能となる。つまり、メモリ回路８１には予め素子変位信号が書き込まれる。微小薄膜可動素子１００のスイッチングのとき、各々の微小薄膜可動素子１００のメモリ回路８１に記憶された素子変位信号と、微小薄膜可動素子１００への印加電圧を制御する駆動電圧制御回路８３により、本発明の駆動電圧で微小薄膜可動素子１００の信号電極（第１アドレス電極、第２アドレス電極）８５に出力する。このとき、共通電極（可動電極）８７に対しても所望の電圧が出力される。
このように、メモリ回路８１を用いて微小薄膜可動素子１００を駆動すると、複数の微小薄膜可動素子１００のそれぞれを任意の駆動パターンで動作させることが容易にでき、より高速なアクティブ駆動が可能となる。なお、ここでは、図１の微小薄膜可動素子１００の構成を示したが、これに限らず、他の構成の微小薄膜可動素子２００、３００、４００であってもよい。
【００８６】
微小薄膜可動素子アレイ５００には、それぞれの可動部２７をスイッチング駆動させる制御部としての制御回路８３が設けられることが好ましい。
このような制御回路８３が備えられた微小薄膜可動素子アレイ５００では、可動部２７が制御回路８３によって駆動制御されることで、プルイン時に発生する振動を低減することができ、その結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、可動部２７を高速動作させることができる。
【００８７】
図２７は本発明に係る微小薄膜可動素子を用いて構成したＤＭＤの分解斜視図である。
本発明に係る微小薄膜可動素子は、図２７に示したＤＭＤ６００に適用することができる。図中、９３はマイクロミラーであり、マイクロミラー支持ポスト９５によりヨーク９７の支持ポスト接続部９９に接続されている。ヨーク９７はヒンジ１０１に保持されている。またヒンジ１０１はポストキャップ１０３に保持されている。ポストキャップ１０３はヒンジ支持ポスト１０５によって共通バス１０７のヒンジ支持ポスト接続部１０９に接続されている。つまり、マイクロミラー９３は、ヒンジ１０１、ポストキャップ１０３及びヒンジ支持ポスト１０５を介して共通バス１０７に接続されている。マイクロミラー９３には、共通バス１０７を介して共通電圧が供給される。共通バス１０７は停止部材である着地サイト１１１を有している。着地サイト１１１は絶縁性を有しているか、マイクロミラー９３と同じ電位に保たれている。
【００８８】
１１３ａは一方の固定電極（第１アドレス電極）であり、１１３ｂは他方の固定電極（第２アドレス電極）である。第１アドレス電極１１３ａは電極支持ポスト１１５によって、第１アドレス電極パッド１１７ａの電極支持ポスト接続部１１９に接続されている。また第２アドレス電極１１３ｂも電極支持ポスト１１５によって、第２アドレス電極パッド１１７ｂの電極支持ポスト接続部１１９に接続されている。
【００８９】
第１接続部１２１ａから第１アドレス電極パッド１１７ａに入力されるデジタル信号は、第１アドレス電極１１３ａに入力される。第２接続部１２１ｂから第２アドレス電極パッド１１７ｂに入力されるデジタル信号は、第２アドレス電極１１３ｂに入力される。第１アドレス電極１１３ａと第２アドレス電極１１３ｂにデジタル信号が入力されることによって、マイクロミラー９３が傾き、白表示または黒表示が選択される。マイクロミラー９３が傾くことで、ヨーク片１２３の一部が着地サイト１１１に接触しても良い。
【００９０】
このような構成を有するＤＭＤ６００においても、第１アドレス電極１１３ａとヨーク片１２３との間、または、第２アドレス電極１１３ｂとヨーク片１２３との間に印加する電圧が、静的Pull-in電圧以下であり、且つ、最小動的Pull-in電圧以上の範囲にあるので、静的Pull-in電圧より大きい電圧が印加されることにより生じる過剰な静電気力が発生せず、必要最小限の静電気力をヨーク片１２３に作用させることができる。したがって、プルイン時に発生する振動を低減することができる。この結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、ＤＭＤ６００を高速動作させることができる。
【００９１】
次に、上記微小薄膜可動素子１００を用いて構成した画像形成装置について説明する。ここでは、画像形成装置の例として、まず、露光装置７００について説明する。図２８は本発明に係る微小薄膜可動素子アレイを用いて構成した露光装置の概略構成を示す図である。露光装置７００は、照明光源１３１と、照明光学系１３３と、上述した実施の形態の微小薄膜可動素子１００を同一平面状で２次元状に複数配列した微小薄膜可動素子アレイ５００と、投影光学系１３５とを備える。
【００９２】
照明光源１３１は、レーザ、高圧水銀ランプ、及びショートアークランプ等の光源である。照明光学系１３３は、例えば、照明光源１３１から出射された面状の光を平行光化するコリメートレンズである。コリメートレンズを透過した平行光は微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に垂直に入射する。照明光源１３１から出射された面状の光を平行光化する手段としては、コリメートレンズ以外にも、マイクロレンズを２つ直列に配置する方法等がある。また、照明光源１３１としてショートアークランプ等の発光点が小さいものを使用することで、照明光源１３１を点光源とみなし、微小薄膜可動素子アレイ５００に平行光を入射するようにしても良い。また、照明光源１３１として微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に対応するＬＥＤを有するＬＥＤアレイを使用し、ＬＥＤアレイと微小薄膜可動素子アレイ５００とを近接させて光を発光させることで、微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に平行光を入射するようにしても良い。なお、照明光源１３１としてレーザを用いた場合には、照明光学系１３３は省略しても良い。
【００９３】
投影光学系１３５は、画像形成面である記録媒体１３７に対して光を投影するためのものであり、例えば、微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に対応したマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ等である。
【００９４】
以下、露光装置７００の動作を説明する。
照明光源１３１から出射された面状の光が照明光学系１３３に入射し、ここで平行光された光が微小薄膜可動素子アレイ５００に入射する。微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に入射される光は、画像信号に応じてその反射が制御される。微小薄膜可動素子アレイ５００から出射された光は、投影光学系１３５により記録媒体１３７の画像形成面に撮影露光される。撮影光は記録媒体１３７に対して相対的に走査方向に移動しながら投影露光され、広い面積を高解像度で露光することができる。このように、コリメートレンズを微小薄膜可動素子アレイ５００の光の入射面側に設けることで、各変調素子の平面基板に入射する光を平行光化することができる。なお、図中１３９はオフ光を導入する光アブソーバーを表す。
【００９５】
この露光装置７００は、照明光学系１３３としてコリメートレンズを用いることに限らず、マイクロレンズアレイを用いて構成することができる。この場合、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に対応し、マイクロレンズの光軸と焦点面が各光変調素子の中心に合うように設計、調整される。
【００９６】
この場合、照明光源１３１からの入射光は、マイクロレンズアレイにより、微小薄膜可動素子１００の一素子よりも面積が小さい領域に集光され、微小薄膜可動素子アレイ５００に入射する。微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に入射される光は、入力される画像信号に応じて反射が制御される。微小薄膜可動素子アレイ５００から出射された光は、投影光学系１３５により記録媒体１３７の画像形成面に投影露光される。投影光は記録媒体１３７に対して相対的に走査方向に移動しながら投影露光され、広い面積を高解像度で、露光することができる。このように、マイクロレンズアレイによって照明光源１３１からの光を集光することができるため、光利用効率を向上させた露光装置を実現することができる。
【００９７】
なお、マイクロレンズのレンズ面形状は、球面、半球面など、特に形状は限定されず、凸曲面であっても凹曲面であってもよい。さらに、屈折率分布を有する平坦形状なマイクロレンズアレイであってもよく、フレネルレンズやバイナリーオプティクスなどによる回折型レンズがアレイされたものであってもよい。マイクロレンズの材質としては、例えば、透明なガラスや樹脂である。量産性の観点では樹脂が優れており、寿命、信頼牲の観点からはガラスが優れている。光学的な観点上、ガラスとしては石英ガラス、溶融シリカ、無アルカリガラス等が好ましく、樹脂としてはアクリル系、エポキシ系、ポリエステル系、ポリカーボネイト系、スチレン系、塩化ビニル系等が好ましい。なお、樹脂としては、光硬化型、熱可塑型などがあり、マイクロレンズの製法に応じて適宜選択することが好ましい。
【００９８】
次に、画像形成装置の他の例として、投影装置について説明する。
図２９は本発明の微小薄膜可動素子アレイを用いて構成した投影装置の概略構成を示す図である。図２８と同様の構成には同一符号を付し、その説明は省略するものとする。
投影装置としてのプロジェクタ８００は、照明光源１３１と、照明光学系１３３と、微小薄膜可動素子アレイ５００と、投影光学系１４１とを備える。投影光学系１４１は、画像形成面であるスクリーン１４３に対して光を投影するための投影装置用の光学系である。照明光学系１３３は、前述したコリメータレンズであってもよく、マイクロレンズアレイであってもよい。
【００９９】
次に、プロジェクタ８００の動作を説明する。
照明光源１３１からの入射光は、例えばマイクロレンズアレイにより、微小薄膜可動素子１００の一素子よりも面積が小さい領域に集光され、微小薄膜可動素子アレイ５００に入射する。微小薄膜可動素子アレイ５００の各微小薄膜可動素子１００に入射される光は、画像信号に応じてその反射が制御される。微小薄膜可動素子アレイ５００から出射された光は、投影光学系１４１によりスクリーン１４３の画像形成面に投影露光される。このように、微小薄膜可動素子アレイ５００は、投影装置にも利用することができ、さらには、表示装置にも適用可能である。
【０１００】
したがって、露光装置７００やプロジェクタ８００等の画像形成装置では、上記の微小薄膜可動素子アレイ５００が構成の要部に備えられることで、各微小薄膜可動素子１００に、静的Pull-in電圧より大きい電圧が印加されることにより生じる過剰な静電気力が発生せず、必要最小限の静電気力を可動部２７に作用させることができる。したがって、プルイン時に発生する振動を低減することができる。この結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタの表示が可能となる。また、露光光のオン・オフで階調制御がなされる画像形成装置（露光装置７００）では、オン・オフ時間の短縮が可能となることで、より高階調の実現が可能となる。この結果、高速な感光材露光や、より高画素数のプロジェクタを表示させることができる。
【０１０１】
図３０は本発明の微小薄膜可動素子アレイを用いて構成したスキャナの概略構成を示す図である。
本発明に係る微小薄膜可動素子アレイは、発光素子から出射した光線を被照射対象に走査するとともに、被照射対象からの戻り光を反射させて受光素子に入射させるビームスキャナ等にも好適に用いることができる。スキャナ９００は、光源１５１からの光をレンズ１５３で絞り、この光を微小薄膜可動素子１００の可動部であるスキャンミラー１５５で反射し、バーコード１５７に照射する。バーコード１５７の全域に亘って光を照射するため、スキャンミラー１５５を揺動させる。揺動は、不図示の第１電極、第２電極、可動部へ電圧を印加することによって、ヒンジを捩り中心として可動部を揺動変位させる。つまり、可動部がスキャンミラー１５５であることにより、光の反射方向がスイッチングされる。
【０１０２】
一方、バーコード１５７面に照射した光は、乱反射しながらもバーコードの白黒による光量変化をもって再びスキャンミラー１５５に戻り、そこで反射された光は集光レンズ１５９により集光され、受光素子１６１により光量変化を電気的に変換して出力する。なお、読み取り精度向上のため、受光素子１６１の前面にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を設けて発光光周波数以外の不要な光の採光を防止する。
【０１０３】
このような微小薄膜可動素子１００を用いたスキャナ９００においても、可動部を変位駆動させるための電圧が、静的Pull-in電圧と等しくまたはそれより小さく、かつ最小動的Pull-in電圧と等しくまたはそれより大きい範囲にある。即ち、静的Pull-in電圧≧駆動電圧≧最小動的Pull-in電圧の式を満たす。このような範囲に駆動電圧を設定することで、必要以上の静電気力を発生させないようにし、プルイン時における可動部の振動を低減している。この結果、高速なスキャンミラー１５５の揺動を可能とすることができる。
【０１０４】
図３１は微小薄膜可動素子が用いられたクロスコネクトスイッチの構成を示す説明図である。
さらに、本発明に係る微小薄膜可動素子アレイは、光通信のクロスコネクトスイッチ等にも好適に用いることができる。
このクロスコネクトスイッチ１０００は、例えば微小薄膜可動素子１００を１次元状に配列した微小薄膜可動素子アレイ５００を用いて構成することができる。図示の例では、２つの微小薄膜可動素子アレイ５００ａ、５００ｂが設けられる。このクロスコネクトスイッチ１０００では、入力ファイバーボート１７１の光ファイバ１７１ａからの出射光がマイクロレンズ１７３を通り一方の微小薄膜可動素子アレイ５００ａの所定の微小薄膜可動素子１００ａに入射される。入射光は、微小薄膜可動素子１００ａのスイッチング動作によって、反射光となって入射側微小薄膜可動素子アレイ５００ｂの所望の微小薄膜可動素子１００ｂに入射する。入射した光は微小薄膜可動素子１００ｂのスイッチングによって所定の出力ファイバーボード１７５の光ファイバー１７５ａへ入射する。
【０１０５】
このクロスコネクトスイッチ１０００においても、上記の複数の微小薄膜可動素子１００からなる微小薄膜可動素子アレイ５００が用いられることで、可動部（マイクロミラー部）２７に必要以上の静電気力を発生させないようにし、プルイン時における可動部２７の振動を低減している。この結果、チャタリングを減少させてノイズを低減し、スイッチング動作を高速化することができる。
【０１０６】
そして、このクロスコネクトスイッチ１０００では、上記のように個々の微小薄膜可動素子１００における印加電圧を変えることで、各薄膜可動素子１００に対してプルイン時に発生する振動を低減することができ、その結果、振動の鎮静化までの時間を大幅に短縮して、可動部を高速動作させることができる。
【０１０７】
また、上記のクロスコネクトスイッチ１０００では、１軸回動される微小薄膜可動素子１００を用いた例で説明したが、微小薄膜可動素子アレイには図１９に示した２軸回動される３次元微小薄膜可動素子１００Ａを用いてもよい。このような構成とすることで、例えば入力ファイバーボート１７１の光ファイバ１７１ａが１次元配列され、出力ファイバーボード１７５の光ファイバ１７５ａが２次元配列される場合であっても、可動部２７を３次元駆動することによって、光ファイバ１７１ａからの出射光を紙面垂直方向所望の光ファイバ１７５ａへも切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明に係る微小薄膜可動素子の第１の実施の形態を（ａ），（ｂ）で表す概念図である。
【図２】図１に示した微小薄膜可動素子の静的プルイン電圧印加時の動作過程を（ａ），（ｂ），（ｃ）で表した動作説明図である。
【図３】静的プルイン電圧印加時の可動部に作用する変位量と駆動電圧の相関を表した説明図である。
【図４】図１に示した微小薄膜可動素子の動的プルイン電圧印加時の動作過程を（ａ），（ｂ），（ｃ）で表した動作説明図である。
【図５】本発明に係る駆動方法の可動部の挙動を表した説明図である。
【図６】本発明に係る駆動方法の駆動シーケンスの説明図である。
【図７】静的Pull-in電圧を説明するための電圧と変位の関係を概念的に示すグラフである。
【図８】動的Pull-in電圧を説明するための変位量の時間変化を概念的に示すグラフである。
【図９】変位量に対する外力Ｆの変化の様子を示すグラフである。
【図１０】可動部に電圧を印加した場合の可動部の振動波形図である。
【図１１】静的な電圧−変位の相関図である。
【図１２】シミュレーションに用いたＤＭＤ素子の概略図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ断面とその動作を（ａ），（ｂ）で示した説明図である。
【図１４】シミュレーションに用いたＤＭＤ素子の寸法説明図である。
【図１５】ＤＭＤの静的Pull-in電圧のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１６】実際の駆動波形を表す説明図である。
【図１７】試作可動部を（ａ）、電極構成を（ｂ）に表した説明図である。
【図１８】電圧と変位との相関を電圧別に（ａ），（ｂ），（ｃ）で表したグラフである。
【図１９】２軸にて揺動される可動部を備えた３次元微小薄膜可動素子の例を表した斜視図である。
【図２０】本発明に係る微小薄膜可動素子の第２の実施の形態を表す概念図である。
【図２１】本発明に係る微小薄膜可動素子の第３の実施の形態を表す概念図である。
【図２２】本発明に係る微小薄膜可動素子をＲＦスイッチに応用した第４の実施の形態を表す平面図である。
【図２３】図２２に示したＲＦスイッチのオフ状態のＤ−Ｄ断面を（ａ）、オン状態のＤ−Ｄ断面を（ｂ）に表した説明図である。
【図２４】図２２に示したＲＦスイッチのオフ状態のＥ−Ｅ断面を（ａ）、オン状態のＥ−Ｅ断面を（ｂ）に表した説明図である。
【図２５】微小薄膜可動素子アレイにおける駆動方法の手順を（ａ），（ｂ），（ｃ）で表した動作説明図である。
【図２６】微小薄膜可動素子のそれぞれがメモリ回路を含む駆動回路を有した構成を示す説明図である。
【図２７】本発明に係る微小薄膜可動素子を用いて構成したＤＭＤの分解斜視図である。
【図２８】本発明に係る微小薄膜可動素子アレイを用いて構成した露光装置の概略構成を示す図である。
【図２９】本発明の微小薄膜可動素子アレイを用いて構成した投影装置の概略構成を示す図である。
【図３０】本発明の微小薄膜可動素子アレイを用いて構成したスキャナの概略構成を示す図である。
【図３１】微小薄膜可動素子が用いられたクロスコネクトスイッチの構成を示す説明図である。
【図３２】従来の光スイッチに生じる可動部の振動を表した説明図である。
【符号の説明】
【０１０９】
２１  基板
２３  間隙
２７  可動部
２８  可動電極
２９  ヒンジ（支持部）
３５ａ  第１アドレス電極（固定電極）
３５ｂ  第２アドレス電極（固定電極）
７３  入力端子
７５  出力端子
７９  短絡接点
１００  微小薄膜可動素子
５００  微小薄膜可動素子アレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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